Исследование влияния лесных полос на показатели микроклимата и урожайность культур севооборота не потеряло актуальности в первой четверти XXI века [1-4]. Воздействие лесных полос на увеличение урожайности сельскохозяйственных культур особенно характерно для степных и лесостепных регионов РФ, где проведено достаточно большое количество наблюдений для создания рекомендаций аграрному производству [2-4].
За рубежом (в США, Индии, Китае) защитные свойства насаждений изучаются агролесоводством (агролесомелиорацией) с целью смягчения последствий изменения климата и решения проблемы продовольственной безопасности [5-7]. С увеличением увлажнения вегетационного периода повышается и влияние минеральных удобрений на урожайность культур севооборота: урожайность увеличивается на 11–30% [8]. Внесение минеральных удобрений под озимую пшеницу увеличивает урожайность культуры в среднем на 12% и количество зимующих растений на 3–4% [9].
На сегодня отсутствуют исследования влияния лесных полос на освещенность посевов культур, которая, несомненно, связана с формированием урожая растений.
Цель исследования: установить закономерности влияния конструкций лесных полос и удобрений на микроклимат поля и урожайность яровой пшеницы.
Материалы и методы исследования
Объект исследований расположен на сельскохозяйственных полях ФГБНУ РосНИИСК «Россорго» (около 1000 га пашни). Площадь полезащитных лесных полос (ПЗЛП) составляет 45 га. Расстояние между полосами составляет 400–420 м. Лесистость территории составляет 4,5% (рис. 1). Закладку и проведение полевых опытов выполняли по общепринятым методам [10, 11, 12, 13]. Эксперимент проведен по трехфакторной схеме: три дозы удобрений (фактор А), три типа конструкций ПЗЛП (фактор В) и девять вариантов расстояний от ПЗЛП (фактор С). Дозы минеральных удобрений: А1 – без удобрений; A2 – N60P60K20 с нормой внесения 140 кг/га; A3 – N60P90К40+N30+N10 с нормой внесения 220 кг/га. Во влажный 2017 г. с запасами влаги в 0,6 м слое почвы на протяжении вегетации 70–85% НВ (ко времени уборки урожая 70% НВ) проводился опыт А4 – N60P90К40+N30+N10 с нормой внесения 230 кг/га. Для этого делянку 50 м2 (5х10 м) разбили на две равные части, т.е. по 25 м2 (5х5 м2) каждая. На одну из половин внесли азот в виде подкормки дозой 10 кг/га. Сроки внесения: фосфор и калий – под зиму, азот дробно весной и в вегетацию подкормками.
Научные исследования проводились на плотной (B1) и ажурной (В2) конструкциях ПЗЛП с различными вариантами просветов: в стволах <10% и кронах 30%; в стволах >60% и кронах <10%.
Обследование ПЗЛП выполнялось по методике ВНИАЛМИ [10]. Урожайность яровой пшеницы определяли с четырехкратной повторностью на различном расстоянии от ПЗЛП: от 1Н до 45Н с градацией через 5Н. В качестве контроля использовались данные, полученные для плотных ПЗЛП на расстоянии 25Н от лесной полосы, для ажурных – на 35Н, для продуваемых – на 45Н. Пробные учетные площадки размером 50 м2 закладывались по ОСТ 56-69-83. Метод размещения вариантов – систематический, последовательный.
Рис. 1. Схема опытов и космоснимок полей ФГБНУ РосНИИСК «Россорго»
Рис. 2. Схема трехфакторного опыта с учетными площадками А1 – А3 – дозы удобрений; В1 – В3 – конструкции ПЗЛП; С1 – С9 – расстояния от ПЗЛП (8–400 м)
Применение и расчет дозы удобрений (NPK), учет урожая проводились в соответствии с методиками Б.А. Доспехова [13], Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова [12], ВНИАЛМИ [10].
В исследованиях для определения влияния ПЛЗП на микроклиматические показатели поля яровой пшеницы, согласно методике ВНИАЛМИ [11], использовались: на скорость ветра – анемометр АТЕ-1034; на температуру и влажность воздуха, освещенность – люксметр-термогигрометр ТКА-ПКМ. Осадки определялись плювиографом. Температура и влажность воздуха фиксировались в фазу цветения яровой пшеницы в 13.00 часов дня при скорости ветра 7 м/с с юго-восточной направленностью (господствующим направлением при засухе). Освещенность посевов культуры под влиянием ПЗЛП определялась при ясной погоде в течение дневного времени.
Для математической обработки материалов использовали профессиональные программы SciLaB, Statistica, Microsoft Excel.
Результаты исследований и их обсуждение
Учет всего многообразия природных факторов (таких как осадки, приемы агролесомелиорации и агрохимии и др.), которые могут оказывать влияние на урожайность сельскохозяйственных культур, является очень сложной научной задачей. Это связано с тем, что вся совокупность природно-антропогенных факторов есть не что иное, как многомерная гиперповерхность. Ее изучение очень затруднительно, поскольку структура бывает очень сложна. В исследованиях урожайности культур применялись математические модели и методы, которые позволяют учесть воздействие наиболее значимых факторов и представить их влияние в графическом виде. Обработка опытных данных проводилась математическими методами с применением дисперсионного и регрессивно-корреляционного анализов. Среди огромного многообразия факторов наиболее существенное влияние на урожайность пшеницы оказывают: освещенность посевов, конструкция и расстояние в системе ПЗЛП, удобрения, гидротермический коэффициент и некоторые другие микроклиматические показатели. Решить проблему влияния природно-антропогенных факторов на урожайность яровой пшеницы в теоретическом плане возможно путем использования следующих множественных регрессий, построенных на основе аналитическо-эмпирических методов:
Y= b0+ b1Н+b2 Eо+ b3Ог+b4HEо+b5НОг+ b6EоОг+ b7HEоОг ; (1)
Y=b0+b1Ог+b2A+b3U+b4ОгA+b5ОгU+b6АU+b7ОгAU , (2)
где Y – урожайность яровой пшеницы, т/га;
b0-b7 – коэффициенты множественной регрессии;
Н – расстояние от ПЗЛП в единицах защитной высоты (Н=8 м);
Eо – относительная освещенность поля (отношение освещенности под влиянием лесных полос к освещенности открытого поля), %;
Ог – гидротермический коэффициент (отношение количества осадков, умноженное на 10, к сумме температур >100С за вегетацию яровой пшеницы);
А – тип конструкции ПЗЛП, %: плотная – 10%; ажурная – 30%; продуваемая – 60%;
U – доза внесения минеральных удобрений (NPK), кг/га.
Таблица 1
Относительная освещенность при безоблачном небе, температура и влажность воздуха в зависимости от времени замера показателей, расстояния от лесной полосы и урожайности яровой пшеницы в разные по увлажнению годы
|
Время замера показателей, ч |
Показатели |
Расстояние от лесной полосы ажурной конструкции |
||||||
|
0Н* |
1Н |
3Н |
5Н |
10Н |
20Н |
30Н |
||
|
5.00 |
E0, % |
3/3 |
5/5 |
7/7 |
8/8 |
11/11 |
90/90 |
100/100 |
|
t, °С |
16,4/24,8 |
16,2/23,9 |
16,0/23,7 |
15,8/23,2 |
15,6/23,5 |
15,7/23,7 |
15,7/23,8 |
|
|
r, % |
75,6/39,1 |
75,9/45,0 |
76,1/46,5 |
76,2/48,0 |
76,4/47,8 |
76,3/47,8 |
76,1/47,5 |
|
|
7.00 |
E0, % |
5/5 |
7/7 |
9/9 |
11/11 |
12/12 |
95/95 |
100/100 |
|
t, °С |
17,1/26,3 |
17,0/26,0 |
16,8/25,9 |
16,6/25,8 |
16,7/26,0 |
16,8/26,1 |
17,0/26,1 |
|
|
r, % |
73,1/36,2 |
73,4/41,9 |
74,0/43,9 |
74,5/46,0 |
75,0/45,1 |
74,8/45,0 |
74,6/45,0 |
|
|
9.00 |
E0, % |
92/92 |
100/100 |
|||||
|
t, °С |
18,2/28,8 |
18,0/28,1 |
17,7/27,8 |
17,7/26,9 |
17,5/27,0 |
17,6/27,2 |
17,8/27,0 |
|
|
r, % |
71,8/34,3 |
72,0/39,6 |
72,4/44,7 |
73,0/45,9 |
73,4/45,0 |
73,1/44,8 |
72,9/44,6 |
|
|
11.00 |
E0, % |
100/100 |
||||||
|
t, °С |
18,7/29,0 |
18,5/28,6 |
18,5/28,0 |
18,2/27,5 |
18,0/27,2 |
18,3/27,3 |
18,0/27,0 |
|
|
r, % |
69,3/32,8 |
69,6/40,0 |
70,1/41,1 |
70,9/42,6 |
71,4/42,0 |
71,0/41,9 |
69,8/41,6 |
|
|
13.00 |
E0, % |
100/100 |
||||||
|
t, °С |
19,3/29,7 |
19,1/29,4 |
19,1/28,9 |
18,9/28,2 |
18,7/28,7 |
18,9/28,8 |
18,5/28,6 |
|
|
r, % |
65,6/31,0 |
65,9/38,9 |
66,7/39,9 |
67,5/41,5 |
68,0/40,4 |
67,8/40,3 |
67,6/40,1 |
|
|
15.00 |
E0, % |
100/100 |
||||||
|
t, °С |
18,8/28,9 |
18,6/28,4 |
18,5/28,0 |
18,3/27,4 |
18,3/27,9 |
18,4/28,0 |
18,2/27,9 |
|
|
r, % |
69,1/33,0 |
69,9/38,1 |
70,5/39,8 |
71,0/43,1 |
71,8/42,5 |
71,6/42,3 |
71,4/42,1 |
|
|
17.00 |
E0, % |
100/100 |
||||||
|
t, °С |
17,4/27,0 |
17,2/26,7 |
17,1/26,9 |
16,9/26,6 |
16,8/26,9 |
16,6/26,7 |
16,4/26,8 |
|
|
r, % |
73,2/35,5 |
73,9/39,9 |
74,5/44,0 |
74,9/45,4 |
75,5/44,1 |
75,1/44,0 |
74,8/43,8 |
|
|
20.00 |
E0, % |
100/100 |
||||||
|
t, °С |
15,9/23,9 |
15,6/23,2 |
15,6/23,0 |
15,3/22,4 |
15,1/22,7 |
15,0/22,5 |
14,8/22,3 |
|
|
r, % |
75,0/40,4 |
75,5/47,0 |
76,1/47,7 |
76,8/50,1 |
77,1/49,5 |
76,8/49,3 |
76,6/49,1 |
|
|
––––– |
Урожайность яровой пшеницы, т/га |
|||||||
|
3,49/0,92 |
3,62/1,09 |
3,91/1,77 |
4,48/1,94 |
4,37/1,82 |
4,00/1,71 |
3,90/1,49 |
||
Примечания: числитель и знаменатель соответственно данные влажного 2017 (25.07) и сухого 2019 (22.07) годов; Н* – защитная высота ПЗЛП (Н=8 м). E0 – относительная освещенность, %; t – температура воздуха, °С; r – влажность воздуха, %.
Системы ПЗЛП на полях создают микроклимат, который влияет на урожайность сельскохозяйственных культур. Из микроклиматических показателей подвергаются изменению скорость ветра, температура и влажность воздуха, испарение, освещенность растений. Причем освещенность сельскохозяйственных культур с теневой стороны ПЗЛП к 9–10 часам утра сравнима с показателями открытого поля – коэффициент детерминации связи данных параметров 0,96 (табл. 1).
Установлено, что температура и влажность воздуха имеют тенденцию к изменению наряду с освещенностью не только в течение суток, но и в зависимости от расстояния от ПЗЛП и состояния погоды в разные по увлажнению годы. Температура воздуха при освещенности посевов пшеницы 100% на расстоянии 1 Н от ПЗЛП во влажном 2017 г. на 11 ч утра больше, чем при освещенности 7%, на 1,5°С. В сухом 2019 г. температура воздуха при тех же условиях составила 2,6°С. Динамика влажности воздуха имеет тенденцию обратной зависимости по отношению к температуре: соответствующие показатели уменьшаются во влажном 2017 г. на 3,8%, в сухом 2019 г. – на 1,9% (табл. 1).
Освещенность поля яровой пшеницы влияет на урожайность культуры в зависимости от расстояния от ПЗЛП. Чем ближе к ПЗЛП, начиная от 2–5H до 0H, тем меньше урожайность пшеницы, что связано с освещенностью поля. Снижение урожайности пшеницы в сухой 2019 г. (ГТК=0,30) на расстоянии 0H от ПЗЛП по отношению к максимальному расстоянию (5H) отмечено более чем в 2 раза, на расстоянии 1Н – в 1,8 раза, а в очень влажный 2017 г. (ГТК=1,81) – соответственно на 28% и 24% (табл. 1).
В результате регрессионно-корреляционного анализа установлено, что урожайность яровой пшеницы на 92% связана с освещенностью поля и расстоянием от лесных полос (рис. 3). Урожайность пшеницы (табл. 2) обусловлена также условиями увлажнения вегетации (гидротермическим коэффициентом) и внесением минеральных удобрений.
Регрессионно-корреляционный анализ выявил тесную взаимосвязь между урожайностью пшеницы, конструкцией лесных полос, гидротермическим коэффициентом и дозой удобрений с коэффициентами детерминации 0,75–0,95 (рис. 4, 5, 6).
Таблица 2
Урожайность яровой пшеницы (т/га) на южном черноземе в зависимости от конструкции ПЗЛП, гидротермического коэффициента и дозы удобрений
|
Доза удобрений, кг/га |
Значения гидротермического коэффициента в зависимости от конструкций ПЗЛП |
||||||||
|
Продуваемая |
Ажурная |
Плотная |
|||||||
|
0,30 |
0,64 |
1,81 |
0,30 |
0,64 |
1,81 |
0,30 |
0,64 |
1,81 |
|
|
0 |
2,00 |
2,43 |
4,55 |
1,94 |
2,42 |
4,48 |
1,70 |
2,30 |
4,32 |
|
140 |
2,28 |
2,79 |
6,92 |
2,19 |
2,72 |
6,82 |
1,90 |
2,52 |
6,67 |
|
220 |
2,32 |
2,90 |
7,62 |
2,23 |
2,79 |
7,53 |
1,97 |
2,58 |
7,49 |
|
230 |
– |
– |
7,85 |
– |
– |
7,76 |
– |
– |
7,64 |
Примечание: урожайность дана на расстоянии 5Н от лесных полос (ЛП). Н – защитная высота ЛП (Н=8 м).
Рис. 3. Урожайность яровой пшеницы в зависимости от расстояния от ПЗЛП и освещенности поля
Рис. 4. Урожайность яровой пшеницы на расстоянии 5Н в зависимости от конструкции ПЗЛП и величины гидротермического коэффициента возделываемой культуры при дозе удобрений U=0 кг/га
Рис. 5. Урожайность яровой пшеницы на расстоянии 5Н в системе ПЗЛП продуваемой конструкции в зависимости от дозы удобрений и величины гидротермического коэффициента возделываемой культуры
Рис. 6. Урожайность яровой пшеницы на расстоянии 5Н в зависимости от конструкции ПЗЛП, дозы удобрений и величины гидротермического коэффициента Ог=1,81
Заключение
Урожайность яровой пшеницы подвержена влиянию многих природно-антропогенных факторов. Важнейшие из них выделены в результате регрессионно-корреляционного анализа взаимосвязей: ажурная конструкция и удобрения (R²=0,94), гидротермический коэффициент и удобрения (R²=0,95), освещенность поля культуры и расстояние от лесной полосы (R²=0,92), гидротермический коэффициент и ажурность (R² =0,75).
Рекомендуется формировать ПЗЛП продуваемой конструкции с главной породой дубом черешчатым и вносить дозу минеральных удобрений (N90,P90,K40) в пределах 220 кг/га, в том числе азота в виде подкормки около 30 кг/га. Во влажные годы дозу азота можно увеличить до 100 кг/га.